E N E R G E T Y K A I E K O L O G I A
ENERGETYKA
A OCHRONA ÅšRODOWISKA
Wpływ Krajowego Systemu Energetycznego
na środowisko
1 Skutki zanieczyszczania środowiska
1.1 Ska\
enie powietrza (emisja pyłu, SO2, NOx, CO,
CO2, inne),
1.2 Ska\
enie wód,
1.3 Ska\
enie gleby,
1.4 Hałas,
1.5 Oddziaływanie pól elektromagnetycznych,
1.6 Oddziaływanie obiegów chłodzenia na otocze-
nie.
2 Metody ograniczenia zapylenia i emisji szkodliwych
gazów
2.1 Wzbogacanie paliw,
2.2 Przetwarzanie paliw stałych,
2.3 Technologie czystego spalania,
2.4 Oczyszczanie spalin,
2.4.1 Odpylanie spalin,
2.4.2 Odsiarczanie spalin,
2.4.3 Odazotowywanie spalin,
2.4.4 Ograniczanie emisji CO2.
3 Składowanie i utylizacja odpadów elektrownianych
3.1 Zagospodarowywanie ścieków,
3.2 Składowanie i zagospodarowanie odpadów pale-
niskowych i popiołów lotnych,
3.3 Składowanie i zagospodarowanie produktów po-
reakcyjnych z odsiarczania spalin.
81
I n s t y t u t M a s z y n C i e p l n y c h
E N E R G E T Y K A I E K O L O G I A
Oddziaływanie konwencjonalnej elektrowni
cieplnej na środowisko
Rys. 54. Kierunki i czynniki oddziaływania
konwencjonalnej elektrowni cieplnej
na środowisko
Rys. 55. Czego potrzebuje konwencjonalna elektrownia
cieplna i czym  zatruwa środowisko
82
I n s t y t u t M a s z y n C i e p l n y c h
E N E R G E T Y K A I E K O L O G I A
Ochrona powietrza przed emisją pyłu, SO2, NOx, CO,
CO2, innych),
Tabl. 21. Całkowita emisja głównych zanieczyszczeń
powietrzaa w Polsce
1995 2000 2004 2005
Wyszczególnienie
w Gg
Dwutlenek siarki 2376 1511 1241 1222
Tlenki azotub 1120 838 804 811
Dwutlenek węglac 377448 333253 325382 326511
Tlenek węgla 4547 3463 3426 3333
Niemetanowe lotne zwiÄ…zki
1076 904 896 885
organiczne w tym:
z
ródła antropogeniczne 769 599 597 585
przyroda 307 306 299 301
Amoniak 380 322 317 327
Pyłyd 1308 464 443 457
a Dane szacunkowe.
b Wyra\
one w NO2.
c Dane zmienione (zrekalkulowane) w stosunku do opublikowanych w poprzedniej edycji Rocznika.
d Emisja ze z
ródeł stacjonarnych i mobilnych, w 1995 r.  tylko ze z
ródeł stacjonarnych; od 2000 r. dane
nieporównywalne z danymi za lata poprzednie z powodu zmiany metodologii szacowania emisji pyłów.
y
ródło: Mały Rocznik Statystyczny 2007 GUS 2007
83
I n s t y t u t M a s z y n C i e p l n y c h
E N E R G E T Y K A I E K O L O G I A
Tabl. 22. Całkowita emisja dwutlenku siarki, tlenków azotu i pyłówa według z
ródeł za-
nieczyszczeń w Polsce
Dwutlenek siarki Tlenki azotub Pyłyc
1995 2005 1995 2005 1995 2005
Wyszczególnienie
w od- w od- w od-
w Gg set- w Gg set- w Gg set-
kach kach kach
OGÓA
EM 2376 1222 100,0 1120 811 100,0 464 457 100,0
y
ródła stacjonarne:
energetyka
1223 642 52,5 377 246 30,3 64 38 8,2
zawodowa
energetyka
384 209 17,1 111 90 11,1 19 17 3,7
przemysłowa
technologie
200 56 4,6 103 54 6,7 72 52 11,4
przemysłowe
inne z
ródład 527 314 25,7 115 109 13,4 248 288 63,0
y
ródła mobilne 42 2 0,1 414 312 38,5 61 63 13,7
a c Patrz notki a, b, d do tabl. 21. d Kotłownie lokalne, paleniska domowe, rolnictwo i inne.
y
ródło: Mały Rocznik Statystyczny 2007 GUS 2007
81
I n s t y t u t M a s z y n C i e p l n y c h
E N E R G E T Y K A I E K O L O G I A
Zapobieganie bardzo znacznemu zagro\
eniu środowiska ze
strony energetyki, spowodowanemu wydzielaniem du\
ych ilo-
ści zanieczyszczeń gazowych (S02 i NOx) oraz pyłowych, po-
lega na stosowaniu następujących środków i działań:
- wzbogacanie paliw;1
- odpylacze o du\
ej skuteczności;
- wysokie kominy i koncentracja spalin (w jednym kominie) w
celu zwiększenia wyniesienia smugi dymu;
- instalacje do odsiarczania spalin;
- ograniczanie powstawania tlenków azotu oraz ich emisji;
- sieci kontrolno-alarmowe;
- spalanie paliwa interwencyjnego (w okresie niekorzystnych
warunków meteorologicznych);
- utylizacja odpadów paleniskowych;
- nowe technologie energetyczne, jak np. energetyka jÄ…dro-
wa, kotły fluidalne, zgazowanie węgla i in.
Udoskonalanie procesu wytwarzania energii elektrycznej
z węgla mo\
na ująć w następujące obszary:
I. Wzbogacanie węgla  oczyszczanie paliwa przed spala-
niem (Precombustion Cleaning)
II. Czyste spalanie (Clean Combustion)
III. Oczyszczanie spalin (Post-Combustion Cleaning)
IV. Technologia konwersji węgla (Conversion)
V. Inne
1
Środki i działania wyró\
nione kolorem niebieskim zostaną omówione szerzej
81
I n s t y t u t M a s z y n C i e p l n y c h
E N E R G E T Y K A I E K O L O G I A
Wzbogacanie węgla  obecnie stosowane sposoby umo\
liwiajÄ…
usuwanie 30-50% siarki pirytowej2 oraz 60% niepalnych czÄ™-
ści mineralnych (popiołu). Stosowane są następujące metody
wzbogacania:
1. Metody fizyczne
mielenie drobnoziarniste
udoskonalona flotacja pionowa
zastosowanie cieczy ciÄ™\
kich
flotacja mikropęcherzykowa
udoskonalone metody suche
2. Metody chemiczne
Å‚ugowanie
stosowanie rozpuszczalników organicznych
3. Metody mikrobiologiczne
wymywanie biologiczne
2
Piryt zwiÄ…zek chemiczny siarki z \
elazem  siarczek \
elaza (FeS )
2
82
I n s t y t u t M a s z y n C i e p l n y c h
E N E R G E T Y K A I E K O L O G I A
II. Czyste spalanie  zabiegi technologiczne i konstrukcyjne,
prowadzące do ograniczenia emisji tlenków azotu z mo\
-
liwością związania i usunięcia części siarki.
1. Stosowanie nowych lub udoskonalonych komór spa-
lania i palników kotłowych
cyklonowe komory z ciekłym odprowadzeniem \
u\
-
la i dopalaniem gazu
wielostopniowe palniki z iniekcjÄ… wapnia
udoskonalone palniki o obni\
onej generacji NOx
2. Preparacja paliwa
przygotowanie zawiesin węglowo-wodnych
równoczesne spalanie węgla i gazu oraz spalanie
zawiesin węglowo-wodnych i gazu (układy wielo-
paliwowe)
3. Stosowanie kotłów fluidalnych (spełniają wymagania
ekologiczne bez konieczności stosowania urządzeń
dodatkowych)
III. Oczyszczanie spalin  obecnie najpopularniejszy obszar
udoskonalania technologii węglowych mimo, \
e ogranicza
siÄ™ tu skutki, a nie przyczyny emisji:
1. Odpylanie spalin (elektrofiltry, filtry tkaninowe, cy-
klony, komory osadcze)
83
I n s t y t u t M a s z y n C i e p l n y c h
E N E R G E T Y K A I E K O L O G I A
 III. Standardy emisyjne pyłu
1. Ze spalania węgla kamiennego
Standardy emisyjne pyłu w mg/m3u, przy zawartości 6% tlenu w ga-
zach odlotowych
y
ródła istniejące
y
ródła istniejące oddane do u\
ytkowania przed oddane do u\
ytko-
dniem 29 marca 1990 r. wania po dniu 28
Nominalna
marca 1990 r.
moc cieplna
od z
ródła wymienione w
z
ródła w MW
01.01. pkt IV.3. i 4. niniejsze-
Do Od Do Od
2007 r. go załącznika w okre-
31.12. 01.01. 31.12. 01.01.
do sie od 01.01.2008 r.
2006 r. 2016 r. 2015 r. 2016 r.
31.12. do terminów tam okre-
2015 r. ślonych
1 2 3 4 5 6 7
5 1.900 700 200 700 630 200
>=5 i < 50 1.000 4001) 100 400 400 1002)
>= 50 i <
3503) 1004) 100 350 100 100
500
500 < 3503) 504),5) 505) 350 505) 505)
Objaśnienia:
1)
standard emisyjny pyłu ze z
ródeł, które oddano do u\
ytkowania przed dniem 29 mar-
ca 1990 r., dla których prowadzący takie z
ródła zobowiązał się w pisemnej deklaracji, zło-
\
onej właściwemu organowi ochrony środowiska nie póz
niej ni\
do dnia 30 czerwca 2004
r., \
e z
ródło będzie u\
ytkowane nie dłu\
ej ni\
do dnia 31 grudnia 2015 r., a czas jego
u\
ytkowania w okresie od dnia 1 stycznia 2008 r. do dnia 31 grudnia 2015 r. nie przekro-
czy 20.000 godzin, wynosi w okresie od 01.01.2007 r. do 31.12.2015 r. 700 mg/m3u, przy
zawartości 6 % tlenu w gazach odlotowych.
2)
standard emisyjny pyłu ze z
ródeł wymienionych w pkt IV.3. załącznika wynosi - do
czasu określonego w tym punkcie - 400 mg/m3u, przy zawartości 6 % tlenu w gazach od-
lotowych;
3)
wartości obowiązują do dnia 31 grudnia 2007 r.;
4)
wartości obowiązują od dnia 1 stycznia 2008 r.;
5)
dla z
ródeł, w których spalane jest paliwo stałe posiadające w stanie roboczym: war-
tość opałową mniejszą ni\
5.800 kJ/kg, zawartość wilgoci większą ni\
45% wagowych,
łączną zawartość wilgoci i popiołu większą ni\
60% wagowych i zawartość tlenku wapnia
większą ni\
10%, standard emisyjny wynosi 100 mg/m3u, przy zawartości 6 % tlenu w
gazach odlotowych.
y
ródło: ROZPORZ
DZENIE MINISTRA ŚRODOWISKA w sprawie standardów emisyjnych z instalacji
z dnia 20 grudnia 2005 r. Dziennik Ustaw z 2005 r. Nr 260 poz. 2181
Jest to przykładowy cytat z przepisów prawnych dotyczących
emisji zanieczyszczeń do środowiska.
84
I n s t y t u t M a s z y n C i e p l n y c h
E N E R G E T Y K A I E K O L O G I A
Elektrofiltry
Elektrofiltr, zwany odpylaczem elektrostatycznym jest urzÄ…dze-
niem, w którym usuwanie pyłu ze spalin następuje poprzez wykorzy-
stanie siły elektrostatycznej, działającej na cząstki tego pyłu.
Zasada działania elektrofiltru
Aktywną przestrzeń elektrofiltru tworzy układ elektrod wysokona-
pięciowych i zbiorczych umieszczonych względem siebie w pewnych
odstępach. Do elektrod wysokonapięciowych doprowadzane jest bar-
dzo wysokie stałe napięcie ujemne 30-100 kV, elektrody zbiorcze są
uziemione. W wyniku działania wysokiego napięcia pomiędzy elektro-
dami powstaje silne pole elektryczne i wyładowania koronowe. Czą-
steczki pyłu znajdujące się w strumieniu gazu przepływającego przez
aktywną przestrzeń pomiędzy elektrodami są ładowane przez jony
ujemne i uzyskują ładunek ujemny. Pod wpływem działania silnego po-
la elektrycznego naładowane cząstki pyłu przyciągane są do po-
wierzchniÄ™ elektrod zbiorczych, gdzie uwalniane sÄ… od Å‚adunku elek-
trycznego. Pył jest strącany z elektrod zbiorczych poprzez wytrząsanie
mechaniczne i opada w dół do zsypu, skąd jest odprowadzany w spo-
sób ciągły na składowisko bądz
zagospodarowywany jest do innych ce-
lów.
Rys. 56. Zasada
działania elektrofiltru
85
I n s t y t u t M a s z y n C i e p l n y c h
E N E R G E T Y K A I E K O L O G I A
Skuteczność usuwania pyłów od Å›rednicy 10 µm w górÄ™.
Prędkość przepływu spalin 0,9-3 m/s  sprawność 92-98%
Rys. 57. Schemat odpylacza elektrostatycznego
1. System ścian rozdzielających dla równomiernego rozdziału
przepływu spalin
2. Wnętrze elektrofiltru wraz z:
- systemem elektrod zbiorczych
- systemem elektrod wysokonapięciowych
3. Zawieszenie systemu wysokonapięciowego
4. Stożkowe izolatory wsporcze
5. Elektrody wysokonapięciowe
6. Elektrody zbiorcze
7. Strzepywacze regenerujące elektrody wysokonapięciowe
i zbiorcze
8. Zsypy zbiorcze na pył
86
I n s t y t u t M a s z y n C i e p l n y c h
E N E R G E T Y K A I E K O L O G I A
Rys. 58. Układy szeregowo-równoległych
elektrofiltrów siłownianych
Rys. 59. Przykład prze-
mysłowego wy-
konania elektro-
filtru
87
I n s t y t u t M a s z y n C i e p l n y c h
E N E R G E T Y K A I E K O L O G I A
Cyklon
Cyklon (odpylacz cyklonowy) - urzÄ…dzenie wykorzystywane
do oczyszczania gazów z cząstek stałych (pyłu) wykorzystują-
ce siły bezwładności. Stosowane do odpylania gazów w cie-
płowniach, elektrociepłowniach, hutach, itp. Skuteczność
działania  usuwają cząstki pyłu o wymiarach przekraczają-
cych 60 µm.
Skuteczność odpylania - cyklonu - jest tym większa im więk-
sza jest prędkość wlotowa, a tak\
e im mniejszy promień.
1
3
2
Rys. 60. Konstrukcja cyklonu
88
I n s t y t u t M a s z y n C i e p l n y c h
E N E R G E T Y K A I E K O L O G I A
Rys. 61. Przykład
przemysłowej
instalacji
odpylajÄ…cej
z cyklonami
Filtry workowe
Rys. 62. Zasada działania jednego z typów
filtrów workowych
89
I n s t y t u t M a s z y n C i e p l n y c h
E N E R G E T Y K A I E K O L O G I A
Rys. 63. Przykład przemysłowej instalacji
odpylajÄ…cej z filtrami workowymi
2. Odsiarczanie spalin
Siarka zawarta w paliwie (węglu, benzynie, olejach napę-
dowych czy opałowych) wchodzi w reakcję z tlenem
z powietrza tworzÄ…c dwutlenek siarki zgodnie z reakcjÄ…:
S + O2 = SO2,
dalsze utlenianie dwutlenku siarki daje trójtlenek:
2SO2 + O2 = SO3,
z którego po połączeniu z wodą (mgła, deszcz) otrzymamy
kwas siarkowy:
SO3 + H2O = H2SO4,
90
I n s t y t u t M a s z y n C i e p l n y c h
E N E R G E T Y K A I E K O L O G I A
opadający na ziemię w postaci tzw. kwaśnego deszczu.
Proces tworzenia kwaśnych deszczy mo\
na znacznie ogra-
niczyć (zmniejszyć stę\
enie kwasów w wodzie deszczo-
wej), poprzez usuwanie dwutlenku siarki w instalacjach
odsiarczania, budowanych na terenie elektrowni.
Metody odsiarczania spalin:
a. wykorzystujÄ…ce chemiczne wiÄ…zanie SO2, po-
przez reakcjÄ™ tego gazu z tzw. sorbentem (zwy-
kle zwiÄ…zkami wapnia)
metody mokre (skuteczność >90%)
metody półsuche (skuteczność =20÷60%)
metody suche (skuteczność =20÷60%)
b. wykorzystujÄ…ce katalityczne przetworzenie SO2
c. wykorzystujÄ…ce adsorpcjÄ™ fizycznÄ… na odpo-
wiednim zło\
u tzw. adsorbencie
Przykład metody mokrej.
Rys.64. Schemat ideowy (przykładowy) mokrej wapiennej metody
odsiarczania spalin
1 - komin, 2 - wentylator wspomagający, 3 - absorber, 4 - spaliny z kotła odzysknicowe-
go, 5 - mieszacz spalin (podgrzewacz), 6 - wentylator powietrza utleniajÄ…cego, 7 - elimi-
nator kropel wody, 8 - sorbent (mleczko wapienne), 9 - recyrkulacja sorbentu, 10 - roz-
twór sorbentu z odwadniania gipsu, 11 - odwadnianie gipsu, 12 - zbiornik gipsu, 13 - bar-
ka
91
I n s t y t u t M a s z y n C i e p l n y c h
E N E R G E T Y K A I E K O L O G I A
Przebieg reakcji podczas mokrego odsiarczania spalin:
SO2 + H2O = H2SO3
CaCO3 + H2SO3 = CaSO3 + CO2 + H2O
2CaSO3 + O2 = 2CaSO4
Produkt otrzymywany to gips, łatwy w składowaniu lub u\
y-
wany jako surowiec w budownictwie.
Przykład metody półsuchej.
Rys. 65. Schemat ideowy półsuchej wapiennej metody Niro-Atomizer-
Fläkt odsiarczania spalin
1 - elektrofiltr, 2 - zbiornik wapna, 3 - zbiornik sorbentu, 4 - absorber, 5 - filtr workowy, 6
- zbiornik produktów odsiarczania
92
I n s t y t u t M a s z y n C i e p l n y c h
E N E R G E T Y K A I E K O L O G I A
Przykład metody suchej.
Sucha metoda odsiarczania spalin polega na doprowadzeniu
do komory spalania kotła zmielonego sorbentu w postaci ka-
mienia wapiennego CaCO3, kredy CaCO3, dolomitu
CaCO3 MgCO3, wapna palonego CaO lub wapna hydratyzo-
wanego Ca(OH)2. Sorbent musi być zmielony na cząstki
o średnicy mniejszej ni\
100 µm. Jest on doprowadzony do
komory spalania bezpośrednio z węglem lub z powietrzem
wtórnym, albo specjalnym systemem dysz. Reakcja ma prze-
bieg następujący:
CaCO3 CaO + CO2
CaO + SO3 = CaSO4
2CaO + 2SO2 + O2 = 2CaSO4
Skuteczność tej metody wynosi ok. 50%.
Produkt wyjściowy  gips  przechodzi do \
u\
li i popiołów.
93
I n s t y t u t M a s z y n C i e p l n y c h
E N E R G E T Y K A I E K O L O G I A
3. Odazotowywanie spalin
Podczas spalania paliw ok. 80% tlenków azotu powstaje
z azotu zawartego w paliwie. Ile jest azotu w paliwach?
W węglu 1-2%, w gazie ziemnym ok. 0,5% w oleju opa-
Å‚owym 0,2-1%.
W procesach spalania powstaje tlenek azotu NO; dwutle-
nek NO2 tworzy siÄ™ poprzez utlenianie tlenku w powietrzu at-
mosferycznym.
Procentowe udziały tlenków azotu w spalinach są następu-
jÄ…ce: 5% dwutlenek azotu, 95% tlenek azotu.
NOx
1
[%]
10-1
10-2
10-3
Rys. 66. Zawartość tlenków azotu w spalinach
w zale\
ności od temperatury spalania
Sposoby ograniczania emisji tlenków azotu:
" właściwe ukształtowanie komory paleniskowej
" stosowanie palników o specjalnej konstrukcji
" dwustrefowe spalanie paliwa
" recyrkulacja spalin do komory paleniskowej
" zmniejszenie współczynnika nadmiaru powietrza
94
I n s t y t u t M a s z y n C i e p l n y c h
E N E R G E T Y K A I E K O L O G I A
W/w sposoby pozwalają zmniejszyć emisję NOx
o ok. 50%.
Szczegółowe opisy sposobów i dane dotyczące efektów
zmniejszania emisji tlenków azotu podaje literatura przedmio-
tu.
Do metod zmniejszania zawartości tlenków azotu w spali-
nach nale\
Ä…:
" selektywna redukcja katalityczna,
" selektywna redukcja niekatalityczna,
" metody absorpcyjne połączona z odsiarczaniem:
f& metoda SHL (Saaberg-Holder-Lurgi)
f& metoda WSA-SNOX (WSA  Wet Sulphuric Acid)
f& metoda Bergau Forschung-Uhde
" metoda radiacyjna
Rys. 67. Schemat pilotowej instalacji odsiarczania i odazotowywania
spalin metodą radiacyjną w Elektrociepłowni Kawęczyn.
1 - kondycjonowanie spalin, 2 - układ dozowania amoniaku, 3 - reaktor (komora napro-
mieniowania), 4 - filtracja i odbiór produktu
95
I n s t y t u t M a s z y n C i e p l n y c h
E N E R G E T Y K A I E K O L O G I A
4. Technologia konwersji węgla (Conversion)
Ograniczanie emisji CO2
Przyczyna dÄ…\
enia do zmniejszenia emisji dwutlenku wÄ™-
gla, jest głównie rola jaką ten gaz, wpływając na efekt cie-
plarniany, przyczynia siÄ™ do globalnego ocieplenia.
Tabela 16. Procentowy udział CO2 w gazach odlotowych
ró\
nych procesów technologicznych
Koncentracja
Wyszczególnienie CO2
[% objętości]
Gazy spalinowe z elektrowni:
- kotły węglowe 14
- kotły gazowe 8
- gaz ziemny w cyklu kombinowanym 4
- spalanie węglowo  tlenowe >80
Elektrownie z wychwytywaniem CO2
przed spalaniem:
- zgazowanie węgla 40
- częściowe utlenianie gazów odlotowych
24
(gaz ziemny)
Gazy z pieców hutniczych:
- przed spalaniem 20
- po spaleniu 27
Gazy z wypalania cementu 4-23
Petrochemia i rafinerie 8
96
I n s t y t u t M a s z y n C i e p l n y c h
E N E R G E T Y K A I E K O L O G I A
Spalanie węgla generuje emisję CO2 w ilości od 800 do
1200 gramów CO2 na kilowatogodzinę energii elektrycznej.
Działania mogące ograniczyć emisje CO2 z elektrowni
i elektrociepłowni są ro\
ne ale ka\
de jest wa\
ne. Do takich
działań mo\
na zaliczyć:
" uszlachetnianie wÄ™gla przed spaleniem; efekt: CO2 “! 5%,
" podniesienie sprawności konwersji energii w elek-
trowniach  szczególnie budowa bloków na parametry
nadkrytyczne (t = 620oC i p = 30 MPa), docelowo su-
pernadkrytyczne (t = 700oC i p = 37,5 MPa),
" dywersyfikacja paliw  zastępowanie węgla olejem
opalowym lub lepiej gazem ziemnym,
" wprowadzanie technologii zgazowania węgla:
zgazowanie węgla w kopalniach,
cykl kombinowany ze zintegrowanym zgazowa-
niem - IGCC (ang. integrated gasification combin-
ed cycle) sprawność (45-55)%,
" sekwestracja dwutlenku węgla w ka\
dym procesie
spalania.
Rys. 67. Poglądowy rysunek układu gazowo-parowego
97
I n s t y t u t M a s z y n C i e p l n y c h
E N E R G E T Y K A I E K O L O G I A
Rys. 67. Separacja CO2
Inne nie związane (lub związane) bezpośrednio ze spala-
niem węgli, sposoby ograniczania emisji CO2:
" wprowadzenie kombinowanych cykli gazowo-
parowych (CCGT) (combined cycle gas turbine),
" zastępowanie elektrowni elektrociepłowniami,
" budowa elektrowni jÄ…drowych,
" wprowadzanie odnawialnych z
ródeł energii,
98
I n s t y t u t M a s z y n C i e p l n y c h